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基于ΦC31整合酶和载体质粒pUASTattB的12株果蝇转基因阴性对照品系的建立.pdf

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资源描述

1、DOI:10.12300/j.issn.1674-5817.2023.100实验动物与比较医学 Laboratory Animal and Comparative MedicineOct.2023,43(5)吴 薇,博士,高级工程师,硕士研究生导师。现任中国科学院分子细胞科学卓越创新中心果蝇资源与技术平台主任,国家果蝇资源中心主任兼理事会秘书长,带领团队为全国科研工作者提供果蝇资源与技术服务。兼任实验动物与比较医学青年编委,Bio-protocol特刊实验动物胚胎操作实验手册特邀编委。主要研究方向是果蝇基因编辑、果蝇资源库管理和果蝇发育生物学。以第一作者和通信作者身份在国际权威学术期刊PLoS

2、 Biology上发表果蝇资源和技术相关论文多篇,以第一发明人获得实用新型专利4项。是国家重点研发计划专项“果蝇和线虫发育代谢资源库的系统构建与分析”的研究技术骨干,2022年获聘中国科学院特聘研究岗位-技术攻坚类。基于C31整合酶和载体质粒pUASTattB的12株果蝇转基因阴性对照品系的建立徐龙梅1,沈如凌2,范春2,吴 薇1(1.中国科学院分子细胞科学卓越创新中心,上海 200031;2.上海实验动物研究中心,上海 201203)摘要 目的构建基于C31整合酶和载体质粒pUASTattB的果蝇转基因系统的阴性对照品系,为转基因果蝇研究实验提供更科学的阴性对照。方法用显微注射法将载体质粒p

3、UASTattB(可携带目的基因完成定点插入的常用载体质粒)转入携带C31整合酶的4种不同遗传背景的果蝇品系attP-25C6、attP-68A4、attP-75B1和attP-86F8胚胎中,培养获得G0代成虫后将每只G0代成虫分别与平衡子果蝇品系ywR13S做单管杂交(每管中G0代成虫1只与ywR13S 3只进行杂交),通过观察G1代果蝇的复眼颜色,判断是否有mini-White插入,计算成功插入的概率。再选取成功插入mini-White的G1代果蝇成虫与3种平衡子果蝇品系DB、ywR13S和yw122分别做单管杂交(1只G1代雄果蝇与3只平衡子品系处女蝇杂交),平衡保种。提取保种好的果蝇

4、品系基因组DNA,用PCR法鉴定载体质粒pUASTattB转入情况。结果4种不同遗传背景的果蝇成功显微转入pUASTattB质粒后,再用3种平衡子果蝇品系进行平衡保种,得到12 株果蝇品系,均为携带mini-White 标记的红眼果蝇,PCR 鉴定表明有pUASTattB 序列插入。结论12株转基因果蝇品系可基本满足以pUASTattB为载体构建的转基因果蝇研究实验的阴性对照需求,丰富了国家果蝇资源中心的果蝇资源。关键词 黑腹果蝇;转基因;阴性对照;显微注射;平衡子中图分类号 R-332;Q95-33 文献标志码 A 文章编号 1674-5817(2023)05-0541-07Generati

5、on of 12 Drosophila Transgenic Negative Control Lines Based on Site-specific C31 Integrase and pUASTattB VectorXU Longmei1,SHEN Ruling2,FAN Chun2,WU Wei1(1.Center for Excellence in Molecular Cell Science,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200031,China;2.Shanghai Laboratory Animal Research Center,S

6、hanghai 201203,China)Correspondence to:FAN Chun(ORCID:0009-0008-8817-4430),E-mail:;WU Wei(ORCID:0009-0000-6761-3993),E-mail:ABSTRACT ObjectiveConstruction of a negative control line for the Drosophila transgenic system 研究报告 Research Reports基金项目 国家重点研发计划项目“果蝇和线虫发育代谢资源库的系统构建与分析”专项(2021YFA0805800)第一作者

7、徐龙梅(1969),女,实验师,主要从事果蝇资源库管理研究。E-mail:longmei-;通信作者 范春(1978),男,高级财务管理师,主要从事实验动物管理。E-mail:。ORCID:0009-0008-8817-4430;吴 薇(1980),女,博士,高级工程师,研究方向为果蝇基因编辑、果蝇资源库管理和果蝇发育生物学。E-mail:。ORCID:0009-0000-6761-3993541实验动物与比较医学 Laboratory Animal and Comparative MedicineOct.2023,43(5)based on C31 integrase and vector

8、plasmid pUASTattB to provide a more scientific negative control for transgenic Drosophila research experiments.MethodsThe vector plasmid pUASTattB was microinjected into four different genetic backgrounds Drosophila lines attP-25C6,attP-68A4,attP-75B1 and attP-86F8 embryos carrying C31 integrase.All

9、 of the injected embryos were incubuated to get G0 adults,and each of them was crossed with balancer stock ywR13S separately in a single vial(1 adult of the G0 generation and 3 of the ywR13S in each vial).The probability of successful insertion was calculated by observing the colour of the compound

10、eyes of the G1 generation of Drosophila to determine whether there was a mini-White insertion.The G1 generation Drosophila adults successfully inserted into mini-White were then selected to make single-vial crosses(one G1 generation male Drosophila crossed with three virgins of balancer Drosophila l

11、ine)with each of the three balancer Drosophila strains DB,ywR13S and yw122,respectively,for balanced seed preservation.The genomic DNA of the conserved Drosophila lines was extracted and the vector plasmid pUASTattB was identified for transfer by PCR.Results12 Drosophila strains were obtained,all of

12、 which were red-eyedDrosophila melanogaster carrying the mini-White marker,and were identified by PCR as having the pUASTattB sequence insertion.ConclusionThe 12 transgenic Drosophila strains can meet the negative control requirements for the transgenic fly research experiments that constructed with

13、 pUASTattB as the vector basically,enriching the Drosophila resources in the National Drosophila Resource Center of China.Key words Drosophila melanogaster;Transgenic;Negative control;Microinjection;Balancers黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)是动物遗传发育生物学研究中广泛使用的一种模式生物。以果蝇为模式动物进行科学研究的过程中,通常会使用特定转基因品系的背景果蝇作为

14、阴性对照,以排除遗传背景不同造成的实验误差,从而得到更为准确的实验结果。对大多数实验来说,较为理想的阴性对照品系应该是除插入序列外,其余的遗传背景均相同。因此,构建包含载体质粒通用序列,且使用与实验组一致的平衡子(balancers)果蝇进行平衡保种的果蝇阴性对照品系,就显得非常重要1-2。利用P转座子(P-element)插入方法构建获得含上游激活序列(upstream activating sequence,UAS)转基因果蝇的转基因系统是研究基因功能的一个强有力工具。现今以果蝇为研究对象的实验室常用转基因系统有两种。一种是基于2-3序列的随机插入系统,此系统的常用载体为pUAST质粒,可

15、携带目的基因,将该质粒与编码转座酶的辅助质粒2-3共注射到果蝇胚胎,通过转座酶的重组交换作用使携带目的基因的载体序列随机整合到宿主基因组上。因此,该系统的优点是可以一次得到多个不同品系,但缺点是即使目的基因定位到同一条染色体,仍能造成插入位点不同,从而产生位置效应,使不同基因间无法比较3。另一种是基于C31整合酶的定点插入系统。C31整合酶是在C31链霉菌噬菌体中发现的一种可介导噬菌体在细菌基因组中发生位点特异性整合的重组酶。该系统的特点是载体上带有 attB(a bacterial attachment site)序列,常用载体为pUASTattB质粒,在C31整合酶的作用下pUASTatt

16、B质粒上的attB序列和背景果蝇上的attP(a phage attachment site)序列结合,可将载体质粒携带的靶标序列整合到attP在基因组上的特定位点。相比于随机插入系统,定点插入系统的优点是可以排除位置效应对表型的影响,不同基因插入同一位点产生的果蝇品系可以进行蛋白表达量的比较,而且该系统可实现基因大片段插入,因此应用更为广泛4-5。本研究利用基于 C31 整合酶的常用载体质粒pUASTattB定点插入系统建立不同遗传背景的转基因阴性对照果蝇品系,为同种载体质粒的转基因果蝇研究实验提供更为科学的阴性对照。1材料与方法1.1质粒与果蝇载体质粒pUASTattB由中国科学院分子细胞

17、科学卓越创新中心果蝇资源与技术平台提供,图谱见图1。pUASTattB 载 体 携 带 P-element、mini-White 标 记、5XUAS、多克隆位点(包括6个限制性核酸内切酶位点EcoR、Bgl、Not、Xhol、Kpn和Xbal)和氨苄青霉素抗性基因(AmpR)等原件。4 种携带 C31 整合酶的不同遗传背景果蝇品系(包括 attP-25C6、attP-68A4、attP-75B1、attP-86F8)和3种平衡子果蝇品系(包括DB、ywR13S和yw122)均由中国科学院分子细胞科学卓越创新中心果蝇资源与技术平台提供,具体信息见表1。542实验动物与比较医学 Laborator

18、y Animal and Comparative MedicineOct.2023,43(5)1.2实验仪器拉针仪(Sutter P-97)为美国Sutter公司产品;体视显微镜(Olympus SZ61)为日本Olympus公司产品;显微操作仪(Narishige IM-9B)为日本成茂公司产品;恒温恒湿培养箱(HWS-500)购自宁波江南仪器厂。1.3主要试剂果蝇培养基和果蝇胚胎收集果汁板由中国科学院分子细胞科学卓越创新中心果蝇资源与技术平台自制。84消毒液购自江苏爱特福84股份有限公司;矿物油Halocarbon oil 27 H8773-100ML 和 Halocarbon oil 7

19、00 H8898-100ML购自美国Sigma公司。基因组DNA小量抽提试剂盒(Cat No.D0063)购自上海碧云天生物科技有限公司。PCR引物制备及扩增产物测序由生工生物工程(上海)股份有限公司完成。1.4实验方法准备 4 种背景果蝇品系(包括 attP-25C6、attP-68A4、attP-75B1和attP-86F8),收集果蝇30 min内产出的胚胎,84 消毒液脱壳处理 30 s 后用纯净水冲洗1 min备用。将载体质粒pUASTattB 14 000 r/min高速离心20 min,取上清液2 L装针,显微注射入准备好的未分化胚胎,质粒注射的质量浓度为300 ng/L,每个胚

20、胎注射量为2 nL。注射后的果蝇胚胎置于湿盒18 孵育36 h后收集幼虫,将幼虫置于25 培养箱培养10 d左右后收集G0代成虫。计算孵化出幼虫和成虫的数量及概率。将上述4种不同遗传背景的G0代果蝇成虫分别与平衡子果蝇品系ywR13S(基因型yw;Sp/CyO;MKRS/TM2)做单管杂交(每管中G0代成虫1只与ywR13S 3只进行杂交),然后筛选G1代红眼果蝇(pUASTattB载体携带mini-White标记,因此显微注射成功的G1代果蝇复眼呈红色)。选取mini-White插入成功的G1代果蝇成虫与3种平衡子果蝇品系DB、ywR13S和yw122分别做单管杂交(1只G1代雄果蝇与3只平

21、衡子品系处女蝇杂交),平衡保种。提取保种好的果蝇品系基因组DNA,针对载体质粒上多克隆位点附近的DNA片段设计并制备 PCR 引物(正向引物序列为 5-AAGTAA-CCAGCAACCAAGTA-3,反向引物序列为 5-TGA-TGATGAGGCTACTGCTGA-3),用PCR法鉴定载体质粒pUASTattB插入情况。PCR扩增目的片段为394 bp,凝胶电泳纯化后送样测序。图1 pUASTattB载体质粒图谱Figure 1 Profile of pUASTattB plasmid vector表1 背景果蝇品系和平衡子果蝇品系信息列表Table 1 The list of fly str

22、ains for transgenics and balancers果蝇品系序号Number of fly strains背景果蝇1234平衡子果蝇123名称NameattP-25C6attP-68A4attP-75B1attP-86F8DBywR13Syw122attP位点所在染色体位置Chromosome of attP site2L3L3L3R背景果蝇品系(基因型)Different genetic background strains(genotype)y1 Mvas-int.DmZH-2A w*;PCaryPattP40y1 Mvas-int.DmZH-2A w*;PCaryPatt

23、P2vas-phi-Zh2A-VK5y1 Mvas-int.DmZH-2A w*;M3xP3-RFP.attPZH-86FbW1118;Sp/CyO;TM2/TM6Byw;Sp/CyO;MKRS/TM2yw hsFlp122;Sp/CyO(y+);TM2/TM6B用途Application定点插入定点插入定点插入定点插入平衡保种平衡保种平衡保种543实验动物与比较医学 Laboratory Animal and Comparative MedicineOct.2023,43(5)2结果2.1获得4种不同遗传背景的转基因阴性对照果蝇品系本研究分别针对每一种背景果蝇,将载体质粒pUASTattB注

24、射入200枚果蝇胚胎,幼虫孵化率在37%41%,成虫孵化率均在40%以上。通过观察成虫果蝇的复眼颜色,筛选具有红眼表型的果蝇,证明该品系有mini-White序列插入。最后获得attP-25C6背景的红眼果蝇10管,attP-68A4背景的红眼果蝇12管,attP-75B1背景的红眼果蝇11管,attP-86F8背景的红眼果蝇 13 管,计算可知 pUASTattB 质粒转染阳性率均在28%以上。由于注射时卵的状态不同,阳性概率和成虫数目没有绝对的量化比例关系。详细结果如表2和图2所示。针对所有的红眼果蝇,采用 PCR 法扩增出长度为 394 bp 的目的片段(图 3)。比对测序结果发现,以红

25、眼果蝇基因组为模版扩增出的DNA片段序列和载体质粒 pUASTattB 为模版扩增出的 DNA 片段序列完全一致(图4),说明pUASTattB 载体质粒成功插注:A为未注射载体质粒pUASTattB的背景果蝇品系attP-25C6,A为attP-25C6成功转入载体质粒pUASTattB后获得的红眼果蝇;B为未注射载体质粒pUASTattB的背景果蝇品系attP-68A4,B为attP-68A4成功转入载体质粒pUASTattB后获得的红眼果蝇;C为未注射载体质粒pUASTattB的背景果蝇品系attP-75B1,C为attP-75B1成功转入载体质粒pUASTattB后获得的红眼果蝇;D为

26、未注射载体质粒pUASTattB的背景果蝇品系attP-86F8,D为attP-86F8成功转入载体质粒pUASTattB后获得的红眼果蝇。所有图片均在显微镜下放大50倍拍摄。Note:A,Drosophila stock attP-25C6,without pUASTattB;A,Red-eyed flies of attP-25C6 line with pUASTattB;B,Drosophila stock attP-68A4,without pUASTattB;B,Red-eyed flies of attP-68A4 line with pUASTattB;C,Drosophila

27、stock attP-75B1,without pUASTattB;C,Red-eyed flies of attP-75B1 line with pUASTattB;D,Drosophila stock attP-86F8,without pUASTattB;D,Red-eyed flies of attP-86F8 line with pUASTattB.All photos were taken at a magnification of 50 times under the microscope.图2 载体质粒pUASTattB显微插入前后果蝇的眼部表型对比Figure 2 Compa

28、rison of eyes phenotypes in Drosophila before and after microinjection of the vector plasmid pUASTattB表2 载体质粒pUASTattB显微注射入不同背景果蝇的结果列表Table 2 Results of different genetic background strains with pUASTattB vector by microinjection载体质粒VectorpUASTattBpUASTattBpUASTattBpUASTattB背景果蝇品系Different genetic b

29、ackground strainsattP-25C6attP-68A4attP-75B1attP-86F8注射胚胎数目/个 Numer of injected embryos200200200200出幼虫数目/条Numer of larvae80758278出幼虫概率/%Percent of larvae40.0037.5041.0039.00出成虫数目/只Number of flies35323633出成虫概率/%Percent of flies43.7542.6743.9042.31红眼果蝇数目/管Number of red-eyed flies10121113红眼果蝇概率/%Percen

30、t of red-eyed flies28.5737.5030.5639.39544实验动物与比较医学 Laboratory Animal and Comparative MedicineOct.2023,43(5)入4种不同遗传背景的果蝇。后续将这4种成功转入pUASTattB 载体质粒的果蝇分别命名为 pUASTattB-25C6、pUASTattB-68A4、pUASTattB-75B1 和 pUAST attB-86F8品系。2.2获得12株平衡保种的转基因阴性对照果蝇品系将成功转入载体质粒pUASTattB的4种红眼果蝇分别和3种不同平衡子果蝇品系进行杂交保种,共获得12株果蝇品系。

31、杂交配对情况及各种子代果蝇的基因型见表3。3讨论本研究系统构建了12种基于C31整合酶的常用载体pUASTattB转基因系统的阴性对照果蝇品系,为运用该载体构建的转基因果蝇实验提供了科学的阴性对照品系,可大大提高相关实验的严谨性。为了能在杂合子状态下研究转基因果蝇表型,同时避免纯合致死效应,通常是以其与对应平衡子果蝇杂交的方式保种,并作为实验材料。平衡子果蝇的染色体交换被抑制,因携带一些隐性致死的突变基因而发生纯合致死。X染色体在雄性果蝇中为半合子状态,所以大部分X染色体平衡子不携带隐性致死基因,纯合不致死。但有些X染色体平衡子带有隐性雌性不育突变,能检出隐性突变6。平衡子均带有多种突变基因标

32、志,其中至少有一种是显性标志,一般在成蝇中(有的在幼虫中)表型为显性7。本实验所用的平衡子有Sp、CyO、MKRS、TM2 和 TM6B,具 体 信 息 见 表 4。其 中 Sp(sternopleural)是用EMS诱导产生的突变体28A区的一个隐性致死基因,也有可视标志,一般也当作平衡子使用,但不用来保种8。新的高质量的果蝇资源是推动果蝇相关科研进展注:M为1 kb Plus DNA Ladder;条带1为pUASTattB载体质粒扩增结果;条带 2 为 pUASTattB-25C6 果蝇品系鉴定结果;条带 3 为pUASTattB-68A4果蝇品系鉴定结果;条带4为pUASTattB-7

33、5B1果蝇品系鉴定结果;条带5为pUASTattB-86F8果蝇品系鉴定结果。Note:Lane M,1 kb Plus DNA Ladder;Lane 1,PCR product of pUASTattB;Lane 2,PCR product of pUASTattB-25C6;Lane 3,PCR product of pUASTattB-68A4;Lane 4,PCR product of pUASTattB-75B1;Lane 5,PCR product of pUASTattB-86F8.图 3 成功转入pUASTattB载体质粒的红眼果蝇基因组DNA 的PCR鉴定电泳图Figure

34、 3 Identification of positive lines via PCR analysis for pUASTattB insertion图4 载体质粒pUASTattB以及其成功转入4种背景果蝇获得的红眼果蝇DNA测序结果比对图Figure 4 Multiple sequences alignment between pUASTattB vector and red-eyed pUASTattB line with pUASTattB insertion545实验动物与比较医学 Laboratory Animal and Comparative MedicineOct.2023

35、,43(5)的基础条件。美国、奥地利、瑞士、德国、日本、韩国等都意识到果蝇资源的重要性,设立专项构建各类突变体并积极收集保藏果蝇资源9-10。2022年起,中国科学院分子细胞科学卓越创新中心在中国科学技术部支持下,起始建立国家果蝇资源中心(National Drosophila Resource Center of China,NDRCC),以服务科研为宗旨,完成模式动物果蝇品系及其相关资源的构建、收集、保藏、信息化和线下共享,为全国以果蝇为载体的相关研究提供果蝇资源和技术服务。构建和保存具有自主知识产权的果蝇品系是国家果蝇资源中心建设的核心工作之一。本研究是基于C31整合酶转基因系统的常用载

36、体质粒pUASTattB构建的果蝇阴性对照品系。实际上,构建转基因果蝇品系所用的载体质粒还有很多,如 pUAST、pUASP、pUASPattB、pUASC、pUASCattB等,而且还可以添加EGFP、RFP、HA、Flag、Myc等各种标签(tag)11-12。因此,后续工作会以此研究为基础,系统性构建各类使用不同载体质粒及基因的果蝇突变体对照品系,为以果蝇为模式动物开展的各类科学研究提供强有力资源支撑。医学伦理声明Medical Ethics Statement本研究涉及的所有果蝇均由中国科学院分子细胞科学卓越创新中心果蝇资源与技术平台提供,所有实验过程均按中国科学院分子细胞科学卓越创新

37、中心果蝇实验指南进行。All fruitflies were supported by Core Facility of Drosophila Resoure and Technology,Center for Excellence in Molecular Cell Science,Chinese Academy of Sciences.All experiments were carried out in according with regulations on Drosophila experiments of Center for Excellence in Molecular Ce

38、ll Science,Chinese Academy of Sciences.作者贡献 Author Contribution 徐龙梅完成部分实验、品系保存及论文初稿整理工作;沈如凌对实验工作提供意见,并参与论文修改;范春对果蝇资源库的建设提供了指导意见,并参与论文完善;吴薇完成实验设计、分子生物学实验及论文修改工作。利益声明 Declaration of Interest 所有作者声明无利益冲突、无署名纠纷。参考文献References1PORT F,STREIN C,STRICKER M,et al.A large-scale resource for tissue-specific CR

39、ISPR mutagenesis in DrosophilaJ.eLife,2020,9:e53865.DOI:10.7554/eLife.53865.表4 本研究所用的平衡子果蝇中平衡子显性标志的基本信息Table 4 The basic information of the balancers序号No.12345平衡子名称Name of balancersWg Sp-1(Sp*)CyO(In(2LR)O,Cy dplv1 cn2 pr)MKRS(M(3)76A1 kar1 ry2 Sb1)TM2(In(3LR)Ubx130)TM6B(In(3LR)TM6,Hu e)显性标志Dominant

40、 markerSp*CySbUbxHu对应染色体Chromosome2#2#3#3#3#表型描述Comments of phenotype腹侧板第三根刚毛由1根变为2根或2根以上翅膀卷曲刚毛短硬大平衡棒肩部多毛表3 12株转基因阴性对照果蝇品系的保种结果表Table 3 The results of balanced 12 stocks for transgenic negative control序号No.123456789101112背景果蝇品系Different genetic back ground strainsattP-25C6attP-25C6attP-25C6attP-68A4

41、attP-68A4attP-68A4attP-75B1attP-75B1attP-75B1attP-86F8attP-86F8attP-86F8平衡子果蝇品系Balancer strainsDBywR13Syw122DBywR13Syw122DBywR13Syw122DBywR13Syw122阴性对照品系基因型Genotype of negative control linesW1118;pUASTattB-25C6/CyO;TM2/TM6Byw;pUASTattB-25C6/CyO;MKRS/TM2yw hsFlp122;pUASTattB-25C6/CyO(y+);TM2/TM6BW111

42、8;Sp/CyO;pUASTattB-68A4/TM6Byw;Sp/CyO;pUASTattB-68A4/TM6Byw hsFlp122;Sp/CyO(y+);pUASTattB-68A4/TM6BW1118;Sp/CyO;pUASTattB-75B1/TM6Byw;Sp/CyO;pUASTattB-75B1/TM6Byw hsFlp122;Sp/CyO(y+);pUASTattB-75B1/TM6BW1118;Sp/CyO;pUASTattB-86F8/TM6Byw;Sp/CyO;pUASTattB-86F8/TM6Byw hsFlp122;Sp/CyO(y+);pUASTattB-86F8

43、/TM6B2徐荣刚,王霞,王芳,等.果蝇研究技术与资源的开发J.中国实验动物学报,2018,26(4):489-492.DOI:10.3969/j.issn.1005-4847.2018.04.013.XU R G,WANG X,WANG F,et al.Research techniques and resource development of Drosophila melanogasterJ.Acta Lab Anim Sci Sin,2018,26(4):489-492.DOI:10.3969/j.issn.1005-4847.2018.04.013.3RUBIN G M,SPRADL

44、ING A C.Genetic transformation of Drosophila with transposable element vectorsJ.Science,1982,218(4570):348-353.DOI:10.1126/science.62894364FISH M P,GROTH A C,CALOS M P,et al.Creating transgenic Drosophila by microinjecting the site-specific phiC31 integrase mRNA and a transgene-containing donor plas

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46、ry and practice of Drosophila geneticsM.Second edition,Cold Spring Harbor Laboratory Press,Cold Spring Harbor,New York,2004:13-157STERN D L.Transgenic tools for targeted chromosome rearrangements allow construction of balancer chromosomes in non-melanogaster Drosophila speciesJ.G3(Bethesda),2022,12(

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